Sonochémia: Aplikačné poznámky

Sonochémia je pôsobenie ultrazvukovej kavitácie na chemické systémy. Vďaka extrémnym podmienkam, ktoré vznikajú v kavitačnom „horúcom mieste“, je výkonový ultrazvuk veľmi účinnou metódou na zlepšenie výsledku reakcie (vyšší výťažok, lepšia kvalita), zvýšenie konverzie a skrátenie trvania chemickej reakcie. Niektoré chemické zmeny možno dosiahnuť iba sonikáciou, napríklad vytvorenie cínového povlaku s nanometrovou hrúbkou na titáne alebo hliníku.

Nižšie nájdete výber častíc a kvapalín s príslušnými odporúčaniami, ako materiál spracovať pomocou ultrazvukového homogenizátora na mletie, dispergovanie, deaglomeráciu alebo modifikáciu častíc.

Nižšie nájdete niekoľko protokolov sonikácie na úspešné sonochemické reakcie!

V abecednom poradí:

α-Epoxyketóny – reakcia otvárania kruhu

Použitie ultrazvuku:
Katalytické otváranie kruhu α-epoxyketónov sa uskutočnilo kombináciou ultrazvuku a fotochemických metód. Ako fotokatalyzátor sa použil tetrafluoroboritan 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridínia (NBTPT). Kombináciou sonikácie (sonochémie) a fotochémie týchto zlúčenín v prítomnosti NBTPT sa dosiahlo otvorenie epoxidového kruhu. Preukázalo sa, že použitie ultrazvuku výrazne zvýšilo rýchlosť fotoindukovanej reakcie. Ultrazvuk môže výrazne ovplyvniť fotokatalytické otváranie kruhu α-epoxyketónov predovšetkým vďaka účinnému prenosu hmoty reaktantov a excitovanému stavu NBTPT. Aj prenos elektrónov medzi aktívnymi časticami v tomto homogénnom systéme pri použití sonikácie prebieha
rýchlejšie než v systéme bez sonikácie. Výhodami tejto metódy sú vyššie výťažky a kratšie reakčné časy.

Ultrazvukom podporované fotokatalytické otváranie kruhu α-epoxyketónov (štúdia a grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokol sonikácie:
α-Epoxyketóny 1a-f a tetrafluoroboritan 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridínia 2 sa pripravili podľa publikovaných postupov. Metanol sa zakúpil od spoločnosti Merck a pred použitím sa destiloval. Použitým ultrazvukovým zariadením bol sondový ultrazvukový prístroj UP400S od spoločnosti Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultrazvukový ponorný nadstavec S3 (známy aj ako sonda alebo sonotróda) vyžarujúci ultrazvuk s frekvenciou 24 kHz pri nastaviteľných úrovniach intenzity až do maximálnej hustoty akustického výkonu 460Wcm^-2 sa použil na sonikáciu. Sonikácia sa uskutočnila pri 100% (maximálna amplitúda 210μm). Sonotróda S3 (maximálna hĺbka ponorenia 90mm) sa ponorila priamo do reakčnej zmesi. Ožarovanie UV žiarením sa uskutočnilo pomocou 400W vysokotlakovej ortuťovej výbojky od spoločnosti Narva s chladením vzoriek v skle Duran. ¹H NMR spektrá zmesi fotoproduktov sa merali v roztokoch CDCl₃ obsahujúcich tetrametylsilán (TMS) ako vnútorný štandard na prístroji Bruker drx-500 (500 MHz). Preparatívna vrstvová chromatografia (PLC) sa uskutočnila na 20 × 20cm² platniach pokrytých 1mm vrstvou silikagélu Merck PF₂₅₄ pripravených nanesením silikagélu vo forme suspenzie a sušením na vzduchu. Všetky produkty sú známe a ich spektrálne údaje už boli publikované.
Odporúčané zariadenie:
UP400S s ultrazvukovým nadstavcom S3
Referencia / vedecká publikácia:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonochemický katalytický kruhový otvor α-epoxyketónov. Beilsteinov časopis organickej chémie 3/2, 2007.

Hliníkovo-niklový katalyzátor: Nanoštruktúrovanie zliatiny Al/Ni

Použitie ultrazvuku:
Častice Al/Ni možno sonochemicky modifikovať nanoštruktúrovaním východiskovej zliatiny Al/Ni. Tým vzniká účinný katalyzátor na hydrogenáciu acetofenónu.
Ultrazvuková príprava katalyzátora Al/Ni:
5g komerčnej zliatiny Al/Ni sa dispergovalo v čistenej vode (50mL) a sonikovalo sa až 50 min. pomocou sondového sonikátora UIP1000hd (1kW, 20kHz) vybaveného ultrazvukovým nadstavcom BS2d22 (plocha čela 3,8 cm²) a zosilňovačom amplitúdy B2-1.8. Maximálna intenzita bola vypočítaná na 140 Wcm⁻² pri mechanickej amplitúde 106μm. Aby sa zabránilo zvýšeniu teploty počas sonikácie, experiment sa uskutočnil v termostatovanej cele. Po sonikácii sa vzorka vysušila vo vákuu pomocou teplovzdušnej pištole.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd so sonotródou BS2d22 a zosilňovacím nadstavcom B2–1,2
Referencia/vedecká publikácia:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Jekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemická aktivácia hydrogenačného katalyzátora Al/Ni. Pokročilé funkčné materiály 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikácia na výrobu bionafty s použitím katalyzátora MgO

Použitie ultrazvuku:
Transesterifikačná reakcia sa skúmala pri nepretržitom ultrazvukovom miešaní sonikátorom UP200S pri rôznych parametroch, ako sú množstvo katalyzátora, molárny pomer metanolu a oleja, reakčná teplota a trvanie reakcie. Vsádzkové experimenty sa uskutočnili v reaktore z tvrdého skla (300 ml, vnútorný priemer 7 cm) so zábrusovým vekom s dvoma hrdlami. Jedno hrdlo bolo spojené s titánovou sonotródou S7 (priemer hrotu 7 mm) ultrazvukového procesora UP200S (200W, 24kHz). Amplitúda ultrazvuku bola nastavená na 50% s 1 cyklom za sekundu. Reakčná zmes sa sonikovala počas celého trvania reakcie. Druhé hrdlo reakčnej komory bolo vybavené na mieru vyrobeným, vodou chladeným spätným chladičom z nehrdzavejúcej ocele na spätnú kondenzáciu odpareného metanolu. Celá aparatúra bola umiestnená v olejovom kúpeli s konštantnou teplotou riadenou proporcionálno-integračno-derivačným regulátorom teploty. Teplotu možno zvýšiť až na 65°C s presnosťou ±1°C. Ako suroviny na transesterifikáciu pri výrobe bionafty sa použili odpadový olej a metanol s čistotou 99,9%. Ako katalyzátor sa použil MgO s nanometrovými rozmermi deponovaný z dymu (horčíkový pásik).
Vynikajúci výsledok konverzie sa dosiahol pri 1,5 hmotn. % katalyzátora a molárnom pomere metanolu k oleju 5:1 pri 55°C; po 45 min. sa dosiahla konverzia 98,7%.
Odporúčané zariadenie:
UP200S s ultrazvukovou sonotródou S7
Referencia/vedecká publikácia:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Studies on Sono-Chemical Biodiesel Production Using Smoke Deposited Nano MgO Catalyst. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Syntéza nanokompozitu kadmia(II) s tioacetamidom

Použitie ultrazvuku:
Nanokompozity kadmium(II)–tioacetamid sa syntetizovali sonochemickou cestou v prítomnosti aj neprítomnosti polyvinylalkoholu. Pri sonochemickej syntéze (sonosyntéze) sa 0,532 g dihydrátu octanu kademnatého (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g tioacetamidu (TAA, CH3CSNH2) a 0,664 g jodidu draselného (KI) rozpustilo v 20mL dvakrát destilovanej deionizovanej vody. Tento roztok sa sonikoval vysokovýkonným sondovým ultrazvukovým prístrojom UP400S (24 kHz, 400W) pri izbovej teplote počas 1 h. Počas sonikácie reakčnej zmesi sa teplota zvýšila na 70–80degC, čo sa zmeralo termočlánkom železo–konštantán. Po jednej hodine sa vytvorila jasnožltá zrazenina. Izolovala sa centrifugáciou (4 000 rpm, 15 min), premyla sa dvakrát destilovanou vodou a potom absolútnym etanolom na odstránenie zvyškových nečistôt a nakoniec sa vysušila na vzduchu (výťažok: 0,915 g, 68%). Teplota rozkladu: 200°C. Na prípravu polymérneho nanokompozitu sa 1,992 g polyvinylalkoholu rozpustilo v 20 mL dvakrát destilovanej deionizovanej vody a potom sa pridalo do uvedeného roztoku. Táto zmes sa ožarovala ultrazvukom pomocou ultrazvukovej sondy UP400S počas 1 h, pričom sa vytvoril jasne oranžový produkt.
Výsledky SEM preukázali, že v prítomnosti PVA sa veľkosť častíc znížila z približne 38 nm na 25 nm. Následne sme tepelným rozkladom polymérneho nanokompozitu kadmium(II)–tioacetamid/PVA ako prekurzora syntetizovali hexagonálne nanočastice CdS so sférickou morfológiou. Veľkosť nanočastíc CdS sa merala pomocou XRD aj SEM a výsledky sa navzájom veľmi dobre zhodovali.
Ranjbar a kol. (2013) tiež zistili, že polymérny nanokompozit Cd(II) je vhodným prekurzorom na prípravu nanočastíc sulfidu kademnatého so zaujímavými morfológiami. Všetky výsledky ukázali, že ultrazvukovú syntézu možno úspešne využiť ako jednoduchú, účinnú, nízkonákladovú, environmentálne šetrnú a veľmi sľubnú metódu syntézy materiálov s nanometrovými rozmermi bez potreby osobitných podmienok, ako sú vysoká teplota, dlhé reakčné časy a vysoký tlak.
Odporúčané zariadenie:
UP400S
Referencia/vedecký článok:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Syntéza a charakterizácia nanokompozitov kadmium–tioacetamid. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203–212.

CaCO3 – poťahovanie kyselinou stearovou pomocou ultrazvuku

Použitie ultrazvuku:
Ultrazvukové poťahovanie nanozrážaného CaCO₃ (NPCC) kyselinou stearovou na zlepšenie jeho disperzie v polyméri a zníženie aglomerácie. 2g nepovlakovaného nanozrážaného CaCO₃ (NPCC) sa sonikovali sonikátorom UP400S v 30ml etanolu. V etanole sa rozpustilo 9 hmotn. % kyseliny stearovej. Etanol s kyselinou stearovou sa potom zmiešal so sonikovanou suspenziou.
Odporúčané zariadenie:
UP400S so sonotródou s priemerom 22mm (H22D) a prietokovou celou s chladiacim plášťom
Referencia/vedecký článok:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Účinky ultrazvuku pri poťahovaní nanozrážaného CaCO3 kyselinou stearovou. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807–813.

Silán dopovaný dusičnanom céru

Použitie ultrazvuku:
Ako kovové substráty sa použili panely z uhlíkovej ocele valcovanej za studena (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm; chemicky očistené a mechanicky vyleštené). Pred nanesením povlaku sa panely ultrazvukovo očistili acetónom a potom alkalickým roztokom (roztok NaOH s koncentráciou 0,3mol L1) pri 60°C počas 10 min. Na použitie ako základný náter sa pred predúpravou substrátu typická zmes obsahujúca 50 dielov γ-glycidoxypropyltrimetoxysilánu (γ-GPS) zriedila približne 950 dielmi metanolu pri pH 4,5 (upravenom kyselinou octovou) a nechala sa prebehnúť hydrolýza silánu. Postup prípravy silánu dopovaného pigmentmi dusičnanu céru bol rovnaký s tým rozdielom, že pred pridaním (γ-GPS) sa do metanolového roztoku pridalo 1, 2, 3 hmotn. % dusičnanu céru a potom sa tento roztok miešal vrtuľovým miešadlom pri 1600 rpm počas 30 min. pri izbovej teplote. Disperzie obsahujúce dusičnan céru sa potom sonikovali počas 30 min pri 40°C s použitím externého chladiaceho kúpeľa. Sonikácia sa uskutočnila pomocou ultrazvukového prístroja UIP1000hd (1000W, 20 kHz) so vstupným ultrazvukovým výkonom približne 1 W/mL. Predúprava substrátu sa vykonala oplachovaním každého panela príslušným silánovým roztokom počas 100 sekúnd. Po ošetrení sa panely nechali schnúť pri izbovej teplote počas 24 h a potom sa na predbežne upravené panely naniesol dvojzložkový epoxidový náter vytvrdzovaný amínom (Epon 828, shell Co.) tak, aby hrúbka mokrého filmu bola 90μm. Panely s epoxidovým povlakom sa nechali vytvrdzovať počas 1h pri 115°C; po vytvrdnutí epoxidových povlakov bola hrúbka suchého filmu približne 60μm.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd
Referencia/vedecká publikácia:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrochemické účinky silánových predbežných úprav obsahujúcich dusičnan cérnatý na katódové disbondačné vlastnosti ocele potiahnutej epoxidom. Časopis adhéznej vedy a technológie 27/22, 2013. 2411–2420.

Meďno-hliníkové štruktúry: syntéza poréznych štruktúr Cu-Al

Ultrazvuková aplikácia:
Porézna meďno-hliníková zliatina stabilizovaná oxidom kovu je sľubným novým alternatívnym katalyzátorom dehydrogenácie propánu, ktorý neobsahuje ušľachtilé ani nebezpečné kovy. Štruktúra oxidovanej poréznej zliatiny Cu–Al (kovovej huby) je podobná kovom Raneyovho typu. Vysokovýkonný ultrazvuk je nástrojom zelenej chémie na syntézu poréznych meďno-hliníkových štruktúr stabilizovaných oxidom kovu. Sú lacné (výrobné náklady približne 3 EUR/liter) a metódu možno ľahko preniesť do väčšej mierky. Tieto nové porézne materiály (alebo „kovové huby“) majú vnútorný objem tvorený zliatinou a oxidovaný povrch a môžu katalyzovať dehydrogenáciu propánu pri nízkych teplotách.
Postup ultrazvukovej prípravy katalyzátora:
Päť gramov prášku zliatiny Al–Cu sa dispergovalo v ultračistej vode (50mL) a sonikovalo počas 60 min pomocou sondového sonikátora Hielscher UIP1000hd (20kHz, max. výstupný výkon 1000W). Sondové ultrazvukové zariadenie bolo vybavené sonotródou BS2d22 (plocha hrotu 3,8cm²) a zosilňovačom amplitúdy B2–1,2. Maximálna intenzita bola vypočítaná na 57 W/cm² pri mechanickej amplitúde 81μm. Počas ošetrenia sa vzorka chladila v ľadovom kúpeli. Po ošetrení sa vzorka sušila pri 120°C počas 24 h.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd so sonotródou BS2d22 a zosilňovačom amplitúdy B2–1,2
Referencia/vedecká publikácia:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nové a účinné katalyzátory dehydrogenácie meď-hliník propán. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradácia ftalokyanínu medi

Ultrazvuková aplikácia:
Odfarbovanie a rozklad metaloftalokyanínov
Ftalokyanín medi sa sonikuje s vodou a organickými rozpúšťadlami pri teplote okolia a atmosférickom tlaku v prítomnosti katalytického množstva oxidačného činidla pomocou ultrazvukového prístroja UIP500hd s výkonom 500W a prietokovou komorou pri úrovni výkonu 37–59 W/cm²: 5 mL vzorky (100 mg/L), 50 D/D vody s chloroformom a pyridínom pri 60% ultrazvukovej amplitúdy. Reakčná teplota: 20°C.
Odporúčané zariadenie:
UIP500hd

Zlato: Morfologická modifikácia nanočastíc zlata

Použitie ultrazvuku:
Nanočastice zlata boli morfologicky modifikované intenzívnym ultrazvukovým ožarovaním. Zistilo sa, že na spojenie nanočastíc zlata do štruktúry podobnej činke postačuje ultrazvukové ošetrenie počas 20 min. v čistej vode a v prítomnosti povrchovo aktívnych látok. Po 60 min. sonikácie získavajú nanočastice zlata vo vode červovitú alebo prstencovitú štruktúru. V prítomnosti roztokov dodecylsulfátu sodného alebo dodecylamínu sa ultrazvukom vytvorili spojené nanočastice guľovitého alebo oválneho tvaru.
Protokol ultrazvukového ošetrenia:
Pri ultrazvukovej modifikácii bol koloidný roztok zlata pozostávajúci z vopred pripravených nanočastíc zlata chránených citrátom s priemerným priemerom 25nm (± 7nm) sonikovaný v uzavretej komore reaktora (objem približne 50mL). Koloidný roztok zlata (0,97 mmol·L^-1) bol vystavený ultrazvukovému ožarovaniu s vysokou intenzitou (40 W/cm^-2) pomocou ultrazvukového zariadenia Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) vybaveného sonotródou BS2d18 z titánovej zliatiny (priemer hrotu 0,7 palca), ktorá bola ponorená približne 2 cm pod hladinu sonikovaného roztoku. Koloidné zlato bolo prebublávané argónom (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. pred sonikáciou a počas nej pri prietoku 200 mL·min^-1 s cieľom odstrániť kyslík z roztoku. Do 35-mL podielu každého roztoku povrchovo aktívnej látky bez prídavku dihydrátu citrátu trisodného sa pridalo 15 mL vopred pripraveného koloidného zlata a zmes sa prebublávala argónom 20 min. pred ultrazvukovým ošetrením a počas neho.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd so sonotródou BS2d18 a prietokovým reaktorom
Referencia / vedecká publikácia:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrazvukom asistovaná fúzia vopred vytvorených nanočastíc zlata. Časopis fyzikálnej chémie C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganické hnojivo – vylúhovanie Cu, Cd a Pb na analýzu

Použitie ultrazvuku:
Extrakcia Cu, Cd a Pb z anorganických hnojív na analytické účely:
Pri ultrazvukovej extrakcii medi, olova a kadmia sa vzorky obsahujúce zmes hnojiva a rozpúšťadla sonikujú ultrazvukovým zariadením, napríklad sonikátorom VialTweeter na nepriamu sonikáciu. Vzorky hnojiva sa sonikovali v prítomnosti 2mL 50% (v/v) HNO₃ v sklenených skúmavkách počas 3 minút. Cu, Cd a Pb v extraktoch možno stanoviť plameňovou atómovou absorpčnou spektrometriou (FAAS).
Odporúčané zariadenie:
VialTweeter
Referencia / vedecká publikácia:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatívna analytická metóda na stanovenie kovov v anorganických hnojivách založená na extrakcii s ultrazvukom. Časopis Brazílskej chemickej spoločnosti 22/8. 2011. 1519-1524.

Syntéza latexu

Použitie ultrazvuku:
Príprava latexu P(St-BA)
Latexové častice poly(styrén-r-butylakrylátu) P(St-BA) sa syntetizovali emulznou polymerizáciou v prítomnosti povrchovo aktívnej látky DBSA. Najprv sa 1 g DBSA rozpustil v 100mL vody v trojhrdlej banke a hodnota pH roztoku sa upravila na 2,0. Zmes monomérov 2,80g St a 8,40g BA s iniciátorom AIBN (0,168g) sa vliala do roztoku DBSA. Emulzia O/W sa pripravila magnetickým miešaním počas 1 h, po ktorom nasledovala sonikácia sonikátorom UIP1000hd vybaveným ultrazvukovým nadstavcom (sondou/sonotródou) počas ďalších 30 min. v ľadovom kúpeli. Nakoniec sa polymerizácia uskutočnila pri 90degC v olejovom kúpeli počas 2h v dusíkovej atmosfére.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd
Referencia / vedecká publikácia:
Výroba pružných vodivých filmov odvodených od poly(3,4-etyléndioxytiofén)epoly(kyselina styrénsulfónová) (PEDOT:PSS) na substráte z netkaných textílií. Materiálová chémia a fyzika 143, 2013. 143-148.
Kliknite sem a prečítajte si viac o sonochemickej syntéze latexu!

Odstraňovanie olova (sonolúhovanie)

Použitie ultrazvuku:
Ultrazvukové lúhovanie olova z kontaminovanej pôdy:
Experimenty s ultrazvukovým lúhovaním sa vykonávali pomocou ultrazvukového homogenizátora UP400S s titánovou ultrazvukovou sondou (priemer 14mm), ktorý pracuje pri frekvencii 20kHz. Ultrazvuková sonda (sonotróda) bola kalorimetricky kalibrovaná, pričom intenzita ultrazvuku bola nastavená na 51 ± 0,4 W cm^-2 pri všetkých experimentoch so sonolúhovaním. Experimenty so sonolúhovaním sa termostatovali pomocou sklenenej cely s plochým dnom a plášťom pri 25 ± 1°C. Ako roztoky na lúhovanie pôdy (0,1L) pri sonikácii sa použili tri systémy: 6 mL 0,3 mol L^-2 roztoku kyseliny octovej (pH 3,24), 3% (v/v) roztok kyseliny dusičnej (pH 0,17) a tlmivý roztok kyseliny octovej/acetátu (pH 4,79) pripravený zmiešaním 60mL 0,3 mol L^-1 kyseliny octovej s 19 mL 0,5 mol L^-1 NaOH. Po sonolúhovaní sa vzorky filtrovali cez filtračný papier, aby sa výluh oddelil od pôdy. Následne sa vykonala elektrodepozícia olova z výluhu a rozklad pôdy po pôsobení ultrazvuku.
Ukázalo sa, že ultrazvuk je cenným nástrojom na zintenzívnenie lúhovania olova z kontaminovanej pôdy. Ultrazvuk je tiež účinnou metódou na takmer úplné odstránenie vylúhovateľného olova z pôdy, čím sa dosahuje podstatne menej nebezpečná pôda.
Odporúčané zariadenie:
UP400S so sonotródou H14
Referencia / výskumná publikácia:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Kombinácia ultrazvukového lúhovania a elektrochemického spracovania na odstránenie olova z pôdy. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195–199.

PbS – syntéza nanočastíc sulfidu olovnatého

Použitie ultrazvuku:
Pri izbovej teplote sa 0,151 g octanu olovnatého (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) a 0,03 g TAA (CH₃CSNH₂) pridalo do 5mL iónovej kvapaliny, [EMIM] [EtSO₄], a 15mL dvakrát destilovanej vody v 50mL kadičke vystavenej pôsobeniu ultrazvuku pomocou sonikátora Hielscher UP200S počas 7 min. Hrot ultrazvukovej sondy/sonotródy S1 bol ponorený priamo do reakčného roztoku. Vzniknutá tmavohnedá suspenzia sa centrifugovala, aby sa oddelila zrazenina, a dvakrát sa premyla dvakrát destilovanou vodou a etanolom, aby sa odstránili nezreagované reagencie. Na preskúmanie vplyvu ultrazvuku na vlastnosti produktov sa pripravila ešte jedna porovnávacia vzorka pri zachovaní konštantných reakčných parametrov s výnimkou toho, že produkt sa pripravoval za nepretržitého miešania počas 24 h bez pôsobenia ultrazvuku.
Na prípravu nanočastíc PbS bola navrhnutá syntéza podporovaná ultrazvukom vo vodnej iónovej kvapaline pri izbovej teplote. Táto ekologická metóda šetrná k životnému prostrediu, ktorá prebieha pri izbovej teplote, je rýchla a nevyžaduje šablónu, čo výrazne skracuje čas syntézy a umožňuje vyhnúť sa zložitým syntetickým postupom. Takto pripravené nanoklastre vykazujú obrovský modrý posun 3,86 eV, ktorý možno pripísať veľmi malej veľkosti častíc a efektu kvantového uväznenia.
Odporúčané zariadenie:
UP200S
Referencia / výskumná publikácia:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Jednoduchá príprava a charakterizácia nanočastíc PbS pri izbovej teplote vo vodnej [EMIM][EtSO4] iónovej kvapaline pomocou ultrazvuku. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53–56.

Degradácia fenolu

Použitie ultrazvuku:
Rokhina a kol. (2013) použili kombináciu kyseliny peroctovej (PAA) a heterogénneho katalyzátora (MnO₂) na degradáciu fenolu vo vodnom roztoku pôsobením ultrazvuku. Sonikácia sa vykonávala pomocou sondového ultrazvukového zariadenia UP400S s výkonom 400W, ktoré umožňuje sonikáciu buď nepretržite, alebo v pulznom režime (t. j. 4 s zapnuté a 2 s vypnuté) pri pevnej frekvencii 24 kHz. Vypočítaný celkový príkon, hustota výkonu a intenzita výkonu disipovaného do systému boli v uvedenom poradí 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, a 14,3 W/cm^-2, v uvedenom poradí. Počas všetkých experimentov sa používal konštantný výkon. Na reguláciu teploty v reaktore sa použil ponorný obehový termostat. Skutočný čas sonikácie bol 4 h, hoci celkový reakčný čas bol 6 h v dôsledku prevádzky v pulznom režime. Pri typickom experimente sa sklenený reaktor naplnil 100mL roztoku fenolu (1,05 mM) a príslušnými dávkami katalyzátora MnO2 a PAA (2%) v rozsahu 0–2 g L^-1 a 0–150 ppm, v uvedenom poradí. Všetky reakcie prebiehali pri približne neutrálnom pH, atmosférickom tlaku a izbovej teplote (22 ± 1 °C).
Pôsobením ultrazvuku sa plocha povrchu katalyzátora zväčšila na 4-násobok bez zmeny štruktúry. Frekvencie katalytických obratov (TOF) sa zvýšili zo 7 x 10^-3 na 12,2 x 10^-3 min^-1 v porovnaní s procesom bez ultrazvuku. Okrem toho sa nezistilo žiadne významné vylúhovanie katalyzátora. Izotermická oxidácia fenolu pri relatívne nízkych koncentráciách reakčných činidiel preukázala vysokú mieru odstránenia fenolu (až 89%) za miernych podmienok. Ultrazvuk vo všeobecnosti urýchľoval oxidačný proces počas prvých 60 min. (odstránenie 70% fenolu oproti 40% pri spracovaní bez ultrazvuku).
Odporúčané zariadenie:
UP400S
Referencia / vedecká publikácia:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrazvukom podporovaná homolýza kyseliny peroctovej katalyzovaná MnO₂ na degradáciu fenolu: Posúdenie chémie a kinetiky procesu. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476–486.

Fenol: Oxidácia fenolu s použitím RuI₃ ako katalyzátora

Ultrazvuková aplikácia:
Heterogénna oxidácia fenolu vo vodnom prostredí na RuI₃ peroxidom vodíka (H₂O₂): Katalytická oxidácia fenolu (100 ppm) na RuI₃ ako katalyzátore sa skúmala v sklenenom reaktore s objemom 100 mL vybavenom magnetickým miešadlom a regulátorom teploty. Reakčná zmes sa miešala pri 800 rpm počas 1–6 hodín, aby sa zabezpečilo úplné premiešanie, rovnomerné rozloženie a úplné suspendovanie častíc katalyzátora. Počas sonikácie sa roztok mechanicky nemiešal, pretože rozrušovanie spôsobené osciláciou a kolapsom kavitačných bublín samo osebe zabezpečovalo mimoriadne účinné miešanie. Roztok sa ožaroval ultrazvukom pomocou ultrazvukového meniča UP400S vybaveného ultrazvukom (takzvaného sondového sonikátora), schopného pracovať nepretržite alebo v pulznom režime pri pevnej frekvencii 24 kHz a maximálnom výstupnom výkone 400W.
Pri experimente sa neupravený RuI₃ ako katalyzátor (0,5–2 gL^-1) vniesol do reakčného prostredia vo forme suspenzie a následne sa pridal H2O2 (30%, koncentrácia v rozsahu 200–1200 ppm).
Rokhina a kol. vo svojej štúdii zistili, že ultrazvukové ožarovanie zohrávalo významnú úlohu pri modifikácii textúrnych vlastností katalyzátora, pričom v dôsledku fragmentácie častíc katalyzátora vznikala mikroporézna štruktúra s väčšou plochou povrchu. Okrem toho malo podporný účinok, pretože zabraňovalo aglomerácii častíc katalyzátora a zlepšovalo prístup fenolu a peroxidu vodíka k aktívnym miestam katalyzátora.
Dvojnásobné zvýšenie účinnosti procesu podporovaného ultrazvukom v porovnaní s oxidačným procesom bez ultrazvuku sa pripisovalo zlepšenému katalytickému správaniu katalyzátora a tvorbe oxidačných častíc, ako sú •OH, •HO2 a •I₂ štiepením vodíkových väzieb a rekombináciou radikálov.
Odporúčané zariadenie:
UP400S
Referencia / vedecká publikácia:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrazvukom podporovaná heterogénna oxidácia fenolu peroxidom vo vodnom prostredí katalyzovaná ruténiom. Applied Catalysis B: Environmental 87, 2009. 162– 170.

Častice Ag/ZnO potiahnuté PLA

Ultrazvuková aplikácia:
Povliekanie častíc Ag/ZnO polymérom PLA: Mikro- a submikročastice Ag/ZnO potiahnuté polymérom PLA boli pripravené technikou odparovania rozpúšťadla z emulzie typu olej vo vode. Táto metóda sa uskutočnila nasledujúcim spôsobom. Najprv sa 400 mg polyméru rozpustilo v 4 ml chloroformu. Výsledná koncentrácia polyméru v chloroforme bola 100 mg/ml. Následne sa roztok polyméru emulgoval vo vodnom roztoku rôznych tenzidových systémov (emulgátor, PVA 8-88) za nepretržitého miešania homogenizátorom pri rýchlosti miešania 24 000 rpm. Zmes sa miešala 5 min. a počas tejto doby sa vznikajúca emulzia chladila ľadom. Pomer medzi vodným roztokom tenzidu a roztokom PLA v chloroforme bol vo všetkých experimentoch rovnaký (4:1). Získaná emulzia sa potom sonikovala ultrazvukovým prístrojom so sondou UP400S (400W, 24kHz) počas 5 min. pri cykle 0,5 a amplitúde 35%. Nakoniec sa pripravená emulzia preniesla do Erlenmeyerovej banky, miešala sa a organické rozpúšťadlo sa z emulzie odparilo pri zníženom tlaku, čo napokon viedlo k vytvoreniu suspenzie častíc. Po odstránení rozpúšťadla sa suspenzia trikrát centrifugovala, aby sa odstránil emulgátor.
Odporúčané zariadenie:
UP400S
Referencia/vedecká práca:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Hybridné antibakteriálne častice syntetizované pomocou mikrovĺn a potiahnuté poly(kyselinou L-mliečnou). Nanocon 2011.

Polyanilínový kompozit

Ultrazvuková aplikácia:
Príprava kompozitu (Sc-WB) na báze vody so samodopovaným nanopolyanilínom (SPAni)
Na prípravu kompozitu SPAni na báze vody sa 0,3 gr SPAni, syntetizovaného polymerizáciou in situ v prostredí ScCO2, zriedilo vodou a sonikovalo 2 minúty ultrazvukovým homogenizátorom UIP1000hd s výkonom 1000W. Suspenzný produkt sa potom homogenizoval počas 15 min. s pridaním 125 gr matrice tvrdidla na báze vody a záverečná sonikácia sa uskutočnila pri teplote okolia počas 5 min.
Odporúčané zariadenie:
UIP1000hd
Referencia/vedecká práca:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Ochranné vlastnosti epoxidového povlaku na báze vody obsahujúceho samodopovaný nanopolyanilín syntetizovaný v ScCO2. 2013.

Polycyklické aromatické uhľovodíky: Sonochemická degradácia naftalénu, acenaftylénu a fenantrénu

Ultrazvuková aplikácia:
Na sonochemickú degradáciu polycyklických aromatických uhľovodíkov (PAH) naftalénu, acenaftylénu a fenantrénu vo vode sa zmesi vzoriek sonikovali pri 20◦C a koncentrácii 50 µg/l každého cieľového PAH (celková počiatočná koncentrácia 150 µg/l). Na sonikáciu sa použil ultrazvukový prístroj UP400S so sonotródou (400W, 24kHz), ktorý môže pracovať v kontinuálnom alebo pulznom režime. Sonikátor UP400S bol vybavený titánovou sondou H7 s hrotom s priemerom 7 mm. Reakcie prebiehali v 200 mL valcovej sklenenej reakčnej nádobe s titánovou sonotródou namontovanou v hornej časti reakčnej nádoby a utesnenou pomocou O-krúžkov a teflónového ventilu. Reakčná nádoba sa umiestnila do vodného kúpeľa na reguláciu procesnej teploty. Aby sa zabránilo akýmkoľvek fotochemickým reakciám, nádoba sa zakryla hliníkovou fóliou.
Výsledky analýzy ukázali, že konverzia PAH sa zvyšuje s predlžujúcim sa časom sonikácie.
V prípade naftalénu sa konverzia podporená ultrazvukom (výkon ultrazvuku nastavený na 150W) zvýšila zo 77,6% dosiahnutých po 30 min. sonikácie na 84,4% po 60 min. sonikácie.
V prípade acenaftylénu sa konverzia podporená ultrazvukom (výkon ultrazvuku nastavený na 150W) zvýšila zo 77,6% dosiahnutých po 30 min. sonikácie pri výkone ultrazvuku 150W na 84,4% po 60 min. sonikácie pri výkone ultrazvuku 150W – zvýšila sa z 80,7% dosiahnutých po 30 min. sonikácie pri výkone ultrazvuku 150W na 96,6% po 60 min. sonikácie.
V prípade fenantrénu sa konverzia podporená ultrazvukom (výkon ultrazvuku nastavený na 150W) zvýšila zo 73,8% dosiahnutých po 30 min. sonikácie na 83,0% po 60 min. sonikácie.
Na zvýšenie účinnosti degradácie možno peroxid vodíka využiť účinnejšie pridaním železnatého iónu. Preukázalo sa, že pridanie železnatého iónu má synergické účinky napodobňujúce reakciu Fentonovho typu.
Odporúčané zariadenie:
UP400S s H7
Referencia / vedecká publikácia:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradácia polycyklických aromatických uhľovodíkov vo vodných roztokoch pôsobením ultrazvuku. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95–102.

Odstraňovanie oxidovej vrstvy zo substrátov

Použitie ultrazvuku:
Na prípravu substrátu pred rastom nanodrôtov CuO na substrátoch Cu sa prirodzená oxidová vrstva na povrchu Cu odstránila sonikáciou vzorky v 0.7 M kyseline chlorovodíkovej počas 2 min. pomocou prístroja Hielscher UP200S. Vzorka sa ultrazvukovo čistila v acetóne počas 5 min. na odstránenie organických nečistôt, dôkladne sa opláchla deionizovanou (DI) vodou a vysušila stlačeným vzduchom.
Odporúčané zariadenie:
UP200S alebo UP200St
Referencia / vedecká publikácia:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Úprava vlastností nanodrôtov CuO pri detekcii plynov vytváraním diskrétnych p−n priechodov nanometrových rozmerov na ich povrchoch. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192−4199.

Voltametrické experimenty

Použitie ultrazvuku:
Na voltametrické experimenty zintenzívnené ultrazvukom sa použil ultrazvukový prístroj Hielscher UP200S s výkonom 200 wattov vybavený sklenenou sonotródou (priemer hrotu 13 mm). Ultrazvuk sa aplikoval s intenzitou 8 W/cm^–2.
V dôsledku pomalej difúzie nanočastíc vo vodných roztokoch a vysokého počtu redoxných centier na jednu nanočasticu dominujú pri priamej voltampérometrii nanočastíc v roztoku adsorpčné účinky. Na detekciu nanočastíc bez akumulácie spôsobenej adsorpciou je potrebné zvoliť experimentálny prístup s (i) dostatočne vysokou koncentráciou nanočastíc, (ii) malými elektródami na zlepšenie pomeru signálu k pozadiu alebo (iii) veľmi rýchlym prenosom hmoty.
Preto McKenzie a kol. (2012) použili výkonový ultrazvuk na výrazné zvýšenie rýchlosti prenosu hmoty nanočastíc smerom k povrchu elektródy. V ich experimentálnej zostave je elektróda priamo vystavená ultrazvuku s vysokou intenzitou pri vzdialenosti medzi elektródou a sonotródou 5 mm a intenzite sonikácie 8 W/cm^–2 , čo vedie k premiešavaniu a kavitačnému čisteniu. Na kalibráciu rýchlosti prenosu hmoty dosiahnutej za týchto podmienok sa použil skúšobný redoxný systém, jednoelektrónová redukcia Ru(NH3)₆³⁺ vo vodnom roztoku 0,1 M KCl.
Odporúčané zariadenie:
UP200S alebo UP200St
Referencia / vedecká publikácia:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Priama elektrochémia nanočasticového Fe2O3 vo vodnom roztoku a adsorbovaného na oxide india dopovanom cínom. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885–1894.

Sonikátory na sonochemické reakcie od laboratórneho až po priemyselný rozsah

Hielscher ponúka kompletný sortiment ultrazvukových zariadení od ručného laboratórneho homogenizátora až po plne priemyselné sonikátory pre prúdy s veľkým objemovým prietokom. Všetky výsledky dosiahnuté v malom rozsahu počas testovania, výskumu a vývoja a optimalizácie ultrazvukového procesu možno >lineárne preniesť do plnej komerčnej výroby. Sonikátory Hielscher sú spoľahlivé, robustné a skonštruované na prevádzku 24/7.
Opýtajte sa nás, ako vyhodnotiť, optimalizovať a zväčšiť rozsah vášho procesu! Radi vám pomôžeme vo všetkých fázach – od prvých testov a optimalizácie procesu až po inštaláciu vo vašej priemyselnej výrobnej linke!